以多糖和蛋白質(zhì)為基質(zhì)利用靜電紡絲技術(shù) 構(gòu)建生物活性物質(zhì)遞送體系的研究進(jìn)展

, ,, ,,

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150030)

近年來,隨著人們生活水平的提高以及健康飲食習(xí)慣的需要,許多植物化學(xué)成分、礦物質(zhì)、蛋白肽以及益生菌等諸多生物活性物質(zhì)被應(yīng)用于食品中。目前,將生物活性物質(zhì)添加到食品中開發(fā)功能性食品已經(jīng)成為食品領(lǐng)域新的研究方向[1]。然而,生物活性物質(zhì)在實(shí)際的食品加工和儲(chǔ)藏條件以及人體消化道環(huán)境中具有穩(wěn)定性差、活性低、生物利用率低等缺陷[2]。因此,亟需開發(fā)一種高效的包埋技術(shù)或者遞送體系對(duì)生物活性物質(zhì)進(jìn)行保護(hù)和可控釋放。

遞送體系是一種將小分子的生物活性物質(zhì)包裹在生物聚合物中從而達(dá)到保護(hù)目的的有效遞送方式。該方法不僅可以保護(hù)生物活性物質(zhì)免受加工條件(高溫等)和胃部環(huán)境(胃酸等)的影響,還可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的控制釋放,從而提高消化期間的生物利用率。目前,用于遞送活性物質(zhì)的技術(shù)或方法主要包括噴霧干燥、冷凍干燥、乳化法、靜電紡絲等[3]。在這些方法中,噴霧干燥技術(shù)是比較常用的遞送方式,但是該過程涉及高溫處理容易使生物活性物質(zhì)發(fā)生熱降解,從而影響熱不穩(wěn)定性的生物活性物質(zhì)的包埋率及其生物活性[3]。冷凍干燥技術(shù)設(shè)備投資大、能源消耗以及生產(chǎn)成本較高,這導(dǎo)致其推廣受到極大的限制[4]。乳化法也是常用方法之一,但是對(duì)于不溶于水的生物聚合物來說難以形成乳液,不能對(duì)小分子物質(zhì)起到很好的包裹作用。隨著材料科學(xué)以及納米技術(shù)的快速興起,用靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維作為生物活性物質(zhì)的遞送體系成為近幾年的研究熱點(diǎn)。靜電紡絲技術(shù)是一種用于生產(chǎn)微米級(jí)或納米級(jí)纖維的通用方法,其操作過程無需高溫,非常適合對(duì)熱敏感性物質(zhì)進(jìn)行包覆;其次,由于靜電紡絲技術(shù)易于操作、成本低廉、作用條件溫和以及具有較高的載藥率等諸多優(yōu)點(diǎn),而使其成為生物活性物質(zhì)的理想遞送體系[5-6]。

早在20世紀(jì)30年代,Anton等[7]將醋酸纖維素通過靜電紡絲技術(shù)成功構(gòu)建了納米纖維遞送體系,開創(chuàng)了靜電紡絲制備納米纖維遞送體系的新領(lǐng)域。近年來,隨著納米技術(shù)的快速興起,國內(nèi)外對(duì)于利用靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維產(chǎn)生濃厚的興趣,研究內(nèi)容主要包括纖維壁材的篩選、紡絲工藝條件(電壓、流速、接收距離)的優(yōu)化、所得纖維的結(jié)構(gòu)性能以及添加輔助活性物質(zhì)對(duì)纖維的影響等等[8]。目前,國內(nèi)對(duì)于靜電紡絲在食品科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中于包埋功能活性物質(zhì)、固定化酶、抗菌包裝材料以及可食性膜的開發(fā)利用等。在包埋遞送應(yīng)用中,納米纖維可以用于掩蓋不良風(fēng)味、保護(hù)功能活性成分、提高生物利用度,可用于活性酚酮類物質(zhì)、蛋白肽、益生菌、維生素A、維生素E等物質(zhì)的遞送[2]。本文章主要介紹了靜電紡絲的原理和類型,同時(shí)對(duì)天然多糖和蛋白質(zhì)為基質(zhì)的靜電紡絲構(gòu)建的生物活性物質(zhì)遞送體系及其應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)綜述。

1 利用靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維過程及靜電紡絲技術(shù)種類

1.1 靜電紡絲技術(shù)及納米纖維制備過程

靜電紡絲是一種利用高壓電場產(chǎn)生的靜電力形成射流并快速固化制備納米纖維的技術(shù)。典型的靜電紡絲裝置一般包括高壓靜電發(fā)生器、注射器(擠出泵)、噴絲頭、接收裝置四部分,如圖1所示[9-10]。高壓電源輸出電壓1～30 kV,注射器中的溶液在靜電場的作用下開始充電,并形成“泰勒錐”。當(dāng)靜電作用力能夠克服液體表面張力的束縛時(shí)“泰勒錐”流體開始噴出,形成射流。在靜電作用力、表面張力注射器推力以及重力等相互作用下,射流開始拉伸并發(fā)生旋轉(zhuǎn)。隨著溶劑的快速揮發(fā),射流射向收集板并固化形成納米纖維[9-11]。

圖1 靜電紡絲裝置圖Fig.1 Schematic illustration of the basic setup for electrospinning

就溶液的可紡性、纖維形態(tài)、直徑分布而言,靜電紡絲過程主要受到以下幾個(gè)方面因素的影響[12]:

a、聚合物的分子量、分子量分布和分子結(jié)構(gòu)(分支、線性等結(jié)構(gòu));

b、溶液性質(zhì)(濃度、粘度、電導(dǎo)率、表面張力、液體流量等);

c、電動(dòng)勢大小;

d、注射器針尖和收集裝置之間的距離;

e、環(huán)境參數(shù)(溫度、濕度和室內(nèi)空氣流速);

f、收集裝置的運(yùn)動(dòng)規(guī)律;

g、噴絲口針頭的形狀等。

1.2 靜電紡絲的種類

目前,靜電紡絲的種類主要有單軸靜電紡絲、乳液靜電紡絲、同軸靜電紡絲以及其他類型的靜電紡絲。單軸靜電紡絲是目前常用方法,該方法雖然操作簡便,但是在藥物釋放過程中容易發(fā)生突釋現(xiàn)象。乳液靜電紡絲所需設(shè)備簡單,為藥物釋放提供更多途徑。同軸靜電紡絲可以將不能單獨(dú)電紡的物質(zhì)包覆到聚合物壁材中制備“核-殼”結(jié)構(gòu)的納米纖維,避免了混合壁材納米纖維引起的突釋現(xiàn)象。

1.2.1 單軸靜電紡絲 單軸靜電紡絲是指將一種或者幾種不同的聚合物配制成均一的溶液,將其置于同一個(gè)注射器中進(jìn)行靜電紡絲的過程。Drosou等[13]將普魯蘭多糖與乳清分離蛋白混合配制成均一溶液后通過單軸靜電紡絲的方法成功制備納米纖維,研究結(jié)果表明隨著共混物中普魯蘭多糖含量的增加,能夠得到直徑約為231 nm的連續(xù)且均勻的纖維,而普魯蘭多糖含量少于30%時(shí),得到具有珠狀缺陷的納米纖維。因此,普魯蘭多糖與乳清分離蛋白共混有利于紡絲過程,并且能夠提高纖維的熱穩(wěn)定性。Neo等[14]以玉米醇溶蛋白為原料,利用單軸靜電紡絲技術(shù),成功制備出形貌良好的納米纖維,為其在食品遞送中的應(yīng)用奠定一定的理論基礎(chǔ)。Aceituno-Medina等[15]將莧菜分離蛋白與普魯蘭多糖共混后,利用單軸靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維,以期將其應(yīng)用于食品中生物活性物質(zhì)的包埋遞送,為具有高附加值的功能性食品的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。由此可見,通過靜電紡絲制備的復(fù)合材料各功能性質(zhì)均有所提高,在遞送生物活性物質(zhì)方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

1.2.2 乳液靜電紡絲 乳液可以分為水包油(oil-in-water,O/W)和油包水(water-in-oil,W/O)兩種類型的體系。在O/W乳液中,油滴分散在連續(xù)的水相中,而W/O乳液是水滴分散在油相中。乳液中形成液滴的部分稱為“分散相”,而周圍的液體物質(zhì)稱為“連續(xù)相”[16]。

乳液靜電紡絲是一種新型簡單的用于生產(chǎn)“核-殼”型納米纖維的靜電紡絲方法。由于其制備的纖維更“穩(wěn)定”,從而受到廣泛關(guān)注。由于乳液靜電紡絲使親水性聚合物遞送親脂性化合物成為可能,并且避免了使用食品中高度受限的有機(jī)溶劑,因此與傳統(tǒng)的靜電紡絲技術(shù)相比,基于乳液的靜電紡絲是一種更加具有發(fā)展前景的方法[17]。此外,據(jù)相關(guān)研究表明,基于乳液的靜電紡絲在遞送過程中可以保護(hù)被包埋的生物活性物質(zhì)不受環(huán)境條件、生產(chǎn)工藝、控制釋放速率以及高負(fù)載效率的影響,具有良好的生物活性以及功能有效性[18]。以乳液作為電紡溶液生產(chǎn)的電紡納米纖維廣泛應(yīng)用于生物活性物質(zhì)和藥品的遞送體系中,主要涉及生物制藥和食品領(lǐng)域。影響纖維性能的因素主要包括乳液類型、乳液組成、電場強(qiáng)度、溶液電導(dǎo)率、溶液表面張力、溫度、流速以及電極配置等,因此在制備過程中應(yīng)充分考慮上述參數(shù)的影響以獲得最佳結(jié)果[19]。Li等[20]通過乳液靜電紡絲成功將水溶性的蛋白酶K包裹到疏水性聚(乙二醇)-聚(L-丙交酯)納米纖維中,觀察到蛋白酶K可持續(xù)釋放7 d,成功包埋后其活性并未受到影響。Wang等[19]通過乳液靜電紡絲將牛血清白蛋白(Bovine Serum Albumin,BSA)包埋到疏水性聚苯乙烯納米纖維中,實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的持續(xù)釋放過程,研究結(jié)果表明較高分子量的聚苯乙烯產(chǎn)生的納米纖維直徑較大,并且蛋白質(zhì)的釋放速率也明顯提高,可能是BSA或者纖維表面之間發(fā)生聚集造成的。

1.2.3 同軸靜電紡絲 同軸靜電紡絲是指將兩種溶液通過同軸的孔芯制備成一種“核-殼”結(jié)構(gòu)纖維的技術(shù)。一般,可紡生物聚合物構(gòu)成整個(gè)纖維的“外殼”,被包埋的活性物質(zhì)構(gòu)成纖維的“核芯”。與單軸靜電紡絲相比,同軸靜電紡絲優(yōu)勢在于可以更好的實(shí)現(xiàn)控制釋放過程,并避免了初始突釋現(xiàn)象的發(fā)生[21-23]。同軸靜電紡絲過程的主要影響因素包括“外殼”溶液和“核芯”溶液的相容性、溶劑的揮發(fā)性以及溶液的表面張力等。Lpez-Rubio等[24]利用同軸靜電紡絲技術(shù)以聚乙烯醇作為“外殼”材料,將雙歧桿菌成功包覆其中制備出“核-殼”結(jié)構(gòu)的納米纖維,研究結(jié)果表明與未被包覆的菌相比其活力明顯提高。另外,復(fù)合同軸靜電紡絲對(duì)活性物質(zhì)的控制釋放具有明顯增強(qiáng)的效果。例如,Zhang等[25]利用同軸靜電紡絲技術(shù)將BSA作為“核芯”成分包覆于W/O乳液中,研究結(jié)果表明以乳液作為“外殼”利用同軸靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維極大地改善了BSA的初始釋放,而且可以通過改變?nèi)橐褐芯酆衔锏慕M成來控制BSA的釋放過程。上述研究結(jié)果充分證明,同軸靜電紡絲技術(shù)產(chǎn)生較少初始突釋,并且可以將乳液作為“外殼”部分或“核芯”組分應(yīng)用到納米纖維的制備中。同軸靜電紡絲對(duì)于樣品的處理更加多樣化以便生產(chǎn)不同類型的納米纖維,但是同軸靜電紡絲對(duì)設(shè)備有特殊要求,對(duì)操作參數(shù)要求嚴(yán)格,否則不能制備出理想的納米纖維。另外,其對(duì)“核芯”聚合物溶液和“殼”聚合物溶液的溶劑也有特殊要求,需“核芯”溶劑的揮發(fā)性低于“殼”溶劑揮發(fā)性才能達(dá)到理想效果[26-27]。

1.2.4 其他類型靜電紡絲技術(shù) 納米顆粒靜電紡絲是指先將材料制備成納米粒,然后將該納米粒與和它不相溶的紡絲液混合制備具有“核-殼”結(jié)構(gòu)的納米纖維,其優(yōu)點(diǎn)在于可用于多組分藥物的控制釋放。氣流輔助熔融靜電紡絲是一種增加了氣路系統(tǒng)的靜電紡絲方法,在靜電力和氣流的共同作用下射流拉伸形成纖維。李罡等[28]用高壓靜電紡絲和氣流輔助高壓靜電紡絲成功制備蠶絲蛋白納米纖維,研究結(jié)果表明氣流輔助高壓靜電紡絲有助于獲得更細(xì)的納米纖維。納米顆粒靜電紡絲與其它類型的紡絲方法相比,不僅顯著提高了膜的拉伸性能,還增強(qiáng)了膜的親水性,有利于抗菌膜的開發(fā)應(yīng)用于食品包裝。氣流輔助熔融靜電紡絲的優(yōu)勢在于其降低了纖維與纖維之間粘結(jié)問題,并且制備的納米纖維呈現(xiàn)出更加纖細(xì)的狀態(tài),有利于包埋遞送小分子生物活性物質(zhì)應(yīng)用于食品體系。

2 天然多糖和蛋白質(zhì)為基質(zhì)的靜電紡絲遞送體系及其應(yīng)用

近年來,由于天然多糖和蛋白質(zhì)具有無毒性、生物相容性、可降解性以及其可再生性等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于食品行業(yè)。因此,目前主要研究以天然多糖和蛋白質(zhì)為基質(zhì),通過靜電紡絲技術(shù)構(gòu)建的納米纖維遞送體系[29]。生物聚合物溶液必須具有一定高的分子量和濃度才可以使其纏結(jié)從而進(jìn)行電紡,但是太高的分子量和濃度會(huì)對(duì)電場產(chǎn)生阻力而影響纖維的形成[30-31]。下面將對(duì)幾種常見的多糖和蛋白質(zhì)在靜電紡絲過程中遇到的問題以及如何更好的形成納米纖維進(jìn)行詳細(xì)論述。

2.1 多糖

目前已有大量關(guān)于多糖靜電紡絲的研究,但是用多糖制備納米纖維的過程中仍然存在一些限制因素,導(dǎo)致其形成的納米纖維無論是形態(tài)還是性能方面都不理想。這主要是因?yàn)槎嗵侨菀仔纬奢^強(qiáng)的氫鍵作用,從而導(dǎo)致電紡溶液粘度極高或產(chǎn)生膠凝作用無法進(jìn)行靜電紡絲[32]。因此,下述總結(jié)了幾種多糖在靜電紡絲過程中容易產(chǎn)生的問題以及如何更好的將多糖制備形成納米纖維。

多糖的濃度和溶劑的組成是影響多糖靜電紡絲的兩大重要因素[31]。例如,殼聚糖的聚陽離子特性在酸性水溶液中會(huì)明顯增強(qiáng)從而導(dǎo)致溶液表面張力變大,因此殼聚糖難以通過靜電紡絲技術(shù)形成纖維結(jié)構(gòu),但是如果用多種不同的溶劑(三氟乙酸、乙酸等)可以成功制備出不同直徑的納米纖維[31-32]。另外,殼聚糖的靜電紡絲還會(huì)受到濃度、摩爾質(zhì)量和脫乙酰度的影響。與殼聚糖靜電紡絲類似,纖維素靜電紡絲因其溶解度低、分子內(nèi)及分子間氫鍵作用其可紡性受到極大的限制,因此選擇合適的溶劑對(duì)纖維結(jié)構(gòu)的形成至關(guān)重要[33]。目前只篩選了幾種適用于纖維素靜電紡絲的溶劑,如氫氧化鈉/尿素、離子液體、三氟乙酸/亞甲基氯化物等[34]。另一種改善多糖可紡性的有效方法是將其與其它聚合物(如聚環(huán)氧乙烷、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮等)和生物聚合物(如玉米醇溶蛋白、明膠等)按一定比例混合后通過靜電紡絲制備納米纖維遞送體系。由于這些聚合物具有靈活的線性結(jié)構(gòu)鏈,可以起到定點(diǎn)鏈接作用并可以促進(jìn)鏈結(jié)構(gòu)纏結(jié)以誘導(dǎo)纖維的形成。例如,將聚環(huán)氧乙烷和高度脫乙酰的殼聚糖混合可以紡出直徑為60～120 nm的納米纖維。適宜的溫度條件(40～70) ℃有利于高殼聚糖含量的殼聚糖/聚環(huán)氧乙烷納米纖維的形成,主要原因是溶劑的快速揮發(fā)和鏈纏結(jié)作用的增加[35]。此外,研究表明隨著殼聚糖含量的增加納米纖維直徑呈明顯下降趨勢,可能與殼聚糖比重的增加導(dǎo)致整個(gè)溶液粘度降低以及電導(dǎo)率增加有關(guān)。醋酸纖維素和聚環(huán)氧乙烷混合電紡可產(chǎn)生新型結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的納米纖維,研究結(jié)果表明納米纖維的形態(tài)和性質(zhì)主要取決于聚合物鏈長度、溶液濃度和混合物比率[34]。

天然多糖是用于遞送生物活性物質(zhì)的最佳載體。以纖維素為基質(zhì)的碳水化合物納米復(fù)合材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。與蛋白質(zhì)和脂質(zhì)相比,多糖表現(xiàn)出較高的熱穩(wěn)定性。多糖可以通過將其修飾或者利用其官能團(tuán)與生物活性物質(zhì)的相互作用而將功能性物質(zhì)完美包裹[30-31]。許多多糖如纖維素、殼聚糖、普魯蘭多糖、葡聚糖、淀粉、海藻酸鹽和果膠等已被用作包埋生物活性物質(zhì)的“外殼”材料。以多糖為壁材通過靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維應(yīng)用于食品行業(yè),其目的是提高生物活性物質(zhì)的穩(wěn)定性和生物利用率,這對(duì)于新型功能性食品的開發(fā)是非常重要的;另一方面可以掩蓋食品加工過程中產(chǎn)生的不良?xì)馕兑蕴岣弋a(chǎn)品的可接受度[2]。由于壁材組成多樣化、靈活性,納米纖維也可作為載體用于營養(yǎng)物質(zhì)或藥物在胃腸道中的遞送和持續(xù)釋放。此外,納米纖維也可用于制備具有控制微生物生長或抑制氧化降解等作用的生物活性包裝材料。而電紡納米纖維作為濾膜和生物傳感器在食品和飲料加工中應(yīng)用尚未發(fā)掘?；谏鲜鰬?yīng)用,下面將對(duì)幾種多糖靜電紡絲研究進(jìn)展進(jìn)行詳細(xì)概述。

2.1.1 纖維素 纖維素是食物和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中資源最豐富和成本比較低廉的生物副產(chǎn)物。然而由于其自身的化學(xué)性質(zhì),纖維素靜電紡絲受到限制。研究表明纖維素通過用特定的有機(jī)溶劑或與其它聚合物混合或采用纖維素衍生物(如Cellulose Acetate,CA)的方法可以實(shí)現(xiàn)纖維素靜電紡絲。電紡纖維素已經(jīng)用于遞送生物活性物質(zhì)。Viswanathan等[36]用肝素靜電紡絲成功制備出抗凝血納米纖維。Suwantong等[37]在電壓為17.5 kV的恒定電場下成功制備包埋有姜黃素的CA納米纖維,研究發(fā)現(xiàn)在電紡結(jié)束后被包埋的姜黃素的化學(xué)完整性和抗氧化活性保持不變,因此纖維素靜電紡絲可以用于生物活性物質(zhì)的遞送且效果顯著。此外,纖維素納米纖維曾被用于研究酶的固定化以提高改善其生物活性。Huang等[38]將脂肪酶固定在CA納米纖維上,通過對(duì)氧化條件進(jìn)行優(yōu)化發(fā)現(xiàn)被固定后的酶表現(xiàn)出比游離酶更高的熱穩(wěn)定性和存活率。Chen等[39]利用再生纖維素膜將脂肪酶固定化并進(jìn)行脂肪水解,在最佳操作條件下酶活力高達(dá)9.83×104U/m2。Fung等[40]利用大豆副產(chǎn)物等材料的可溶性膳食纖維對(duì)嗜酸乳桿菌進(jìn)行微膠囊化,用8%的聚乙烯醇對(duì)膳食纖維進(jìn)行修飾后利用靜電紡絲技術(shù)成功生產(chǎn)出納米纖維,整個(gè)紡絲溶液偏弱酸性,粘度適中,研究結(jié)果表明嗜酸乳桿菌成功包覆于纖維材料內(nèi)部,納米纖維對(duì)益生菌具有良好的熱保護(hù)作用。

2.1.2 殼聚糖 殼聚糖,又稱脫乙酰甲殼素,由幾丁質(zhì)經(jīng)過脫乙酰得到，由于其具有生物相容性、生物可降解性和抗菌性而備受關(guān)注。相關(guān)研究表明通過改變殼聚糖的物理化學(xué)性質(zhì)、靜電紡絲條件(電壓、流速、接收距離)以及將其與聚合物或蛋白質(zhì)混合等方法可以將殼聚糖成功電紡制備納米纖維。研究表明殼聚糖納米纖維是某些小分子生物活性物質(zhì)的良好載體。

Mendes等[41]將混合均勻的殼聚糖和磷脂通過靜電紡絲技術(shù)成功制備包埋有姜黃素的殼聚糖/磷脂納米纖維,研究結(jié)果顯示姜黃素的釋放過程可持續(xù)7 d并且沒有明顯的突釋現(xiàn)象產(chǎn)生。鈷胺素(維生素B12)也可由殼聚糖/磷脂納米纖維進(jìn)行遞送,研究發(fā)現(xiàn)鈷胺素釋放曲線在第一天內(nèi)發(fā)生并在第二天達(dá)到最大值。Wongsasulak等[42]將載有維生素E的玉米醇溶蛋白-殼聚糖混合溶液利用靜電紡絲成功制備復(fù)合納米纖維,研究結(jié)果表明由此方法制備的納米纖維表現(xiàn)出良好的胃黏膜粘附性,在模擬胃環(huán)境中維生素E的釋放由擴(kuò)散引發(fā),玉米醇溶蛋白-殼聚糖復(fù)合納米纖維在胃中的遞送可以改善疏水性化合物的生物利用度。Wen等[43]以海藻酸鈉和殼聚糖為壁材以BSA為“核芯”,利用同軸靜電紡絲技術(shù)制備負(fù)載BSA的“核-殼”結(jié)構(gòu)的納米纖維,研究結(jié)果表明通過傅里葉紅外光譜和圓二色譜分析發(fā)現(xiàn)BSA的二級(jí)結(jié)構(gòu)幾乎沒有改變,因此這種“核-殼”結(jié)構(gòu)的納米纖維可以用于結(jié)腸靶向控釋過程中生物活性蛋白的遞送,而且在功能性食品開發(fā)應(yīng)用中具有廣闊前景。Poornima等[44]同樣利用同軸靜電紡絲技術(shù)以殼聚糖-聚己內(nèi)酯作為“外殼”,以阿魏酸和白蘆藜醇為“核芯”,成功制備納米纖維將其用于體內(nèi)抗炎和促進(jìn)血管生成,體外釋放結(jié)果表明阿魏酸和白蘆藜醇釋放率可分別高達(dá)48%和55%并且可持續(xù)釋放120 h,基于納米纖維表現(xiàn)出的良好生物相容性可將其用于慢性傷口的治療。因此,殼聚糖可以通過與其它蛋白或者多糖共混的形式形成納米纖維來包覆像姜黃素、鈷胺素、維生素E等這樣的小分子生物活性物質(zhì)。

研究表明,納米纖維直徑大小與溶液的濃度、有機(jī)鹽的添加量有關(guān)。Chen等[45]利用靜電紡絲技術(shù)首次開發(fā)出殼聚糖-膠原蛋白納米纖維并成功探索出殼聚糖-膠原蛋白復(fù)合物的適宜溶劑,研究發(fā)現(xiàn)電紡纖維的直徑隨著溶液濃度的增加而變大,隨著殼聚糖比例的增加而變小,原因可能是三氟乙酸與殼聚糖上的氨基結(jié)合生成有機(jī)鹽類增加了聚合物電荷密度從而減小納米纖維的直徑。Subbiah等[46]曾分析了由于電荷密度的增加引起射流不穩(wěn)定的原因,但其最終結(jié)果都是纖維直徑的減小。Zeng等[47]提出電紡溶液中添加少量有機(jī)鹽類可使納米纖維直徑變小的觀點(diǎn)。由此可以看出,殼聚糖納米纖維的直徑大小不僅與溶液溶度有關(guān)而且還與聚合物電荷密度以及有機(jī)鹽的添加量有關(guān)。因此,可通過調(diào)節(jié)溶液濃度或者適量添加有機(jī)鹽來對(duì)殼聚糖納米纖維直徑進(jìn)行調(diào)控,從而適用于遞送不同尺寸大小的生物活性物質(zhì)。

2.1.3 普魯蘭多糖 普魯蘭多糖是一種水溶性的胞外微生物多糖,具有良好的生物相容性和可降解性。通常將其與莧菜分離蛋白(Amaranth Protein Isolate,API)結(jié)合后制備納米纖維,可以增強(qiáng)被包埋生物活性物質(zhì)的穩(wěn)定性和功能特性。在靜電紡絲過程中,普魯蘭多糖可以通過氫鍵作用與蛋白質(zhì)結(jié)合,從而通過改變聚合物溶液的性質(zhì)而改善蛋白質(zhì)的可紡性,有利于形成納米纖維。例如,將乳酸鏈球菌素包埋于普魯蘭多糖/莧菜分離蛋白納米纖維內(nèi)可以保持其抗菌能力,納米纖維的平均直徑隨著乳酸鏈球菌素含量的增加而減小,當(dāng)乳酸鏈球菌素含量為20 mg/mL時(shí),納米纖維包覆率高達(dá)95%[48],可用于食品行業(yè)可食性膜等包裝材料的開發(fā)利用。另外,根據(jù)此前大量相關(guān)研究表明,普魯蘭多糖/莧菜分離蛋白納米纖維還可遞送葉酸、槲皮素、姜黃素、阿魏酸等生物活性物質(zhì),并且在體外消化過程中其活性保持不變。由于普魯蘭多糖可塑性強(qiáng)、成膜性好及安全可食用等優(yōu)點(diǎn)而被用作制備納米纖維的優(yōu)良天然材料。因此,普魯蘭多糖可以作為生物活性物質(zhì)的載體應(yīng)用于食品中。

2.1.4 淀粉 淀粉是自然界中儲(chǔ)量最為豐富的多糖之一,一般由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成。近年來,以淀粉作為原料遞送生物活性物質(zhì)的研究越來越多?；谥跋嚓P(guān)研究,總結(jié)發(fā)現(xiàn),為了改善淀粉的可紡性以及增強(qiáng)纖維的性能,可以將淀粉溶于有機(jī)酸或者將其與聚合物共混后電紡。Lancu?k等[49]利用同軸靜電紡絲成功制備包覆有副干酪乳桿菌的淀粉-甲酸酯/甘油納米纖維,4 ℃下被包覆的益生菌表現(xiàn)出穩(wěn)定的存活能力,室溫下儲(chǔ)存可達(dá)21 d,研究結(jié)果表明淀粉-甲酸酯/甘油納米纖維可用于益生菌的遞送,在生物治療領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。

2.1.5 海藻酸鹽 海藻酸鹽是一種從棕色海藻中提取的陰離子多糖。由于海藻酸鹽具有剛性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其在靜電紡絲過程中面臨極大的挑戰(zhàn)。將海藻酸鹽與其它聚合物(如聚環(huán)氧乙烷)共混并添加甘油可以促進(jìn)海藻酸鹽的可紡性。在最近的一項(xiàng)研究中,Wen等[43]利用靜電紡絲技術(shù)成功制備包覆有BSA的海藻酸鈉納米纖維,實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的控制釋放。Zheng等[50]通過控制Ca2+的釋放,開發(fā)了乙二胺四乙酸-鈣-藻酸鹽納米纖維用于對(duì)鼠李糖乳桿菌的控制釋放,基于pH敏感性,在酸性條件下,整個(gè)纖維結(jié)構(gòu)保持密閉狀態(tài),鼠李糖乳桿菌得以保護(hù);在中性腸道環(huán)境中,整個(gè)纖維結(jié)構(gòu)因Ca2+的釋放而逐漸分解,從而將鼠李糖乳桿菌釋放出來,在腸道內(nèi)發(fā)揮其有益作用。

2.2 蛋白質(zhì)

對(duì)于蛋白質(zhì)來說,其靜電紡絲過程相對(duì)比較困難,主要是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)具有復(fù)雜的二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)。在紡絲過程中,球狀蛋白由于彼此之間的相互作用力太小而不能纏結(jié)在一起。但當(dāng)它們以無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)溶解時(shí)是可以在靜電力的作用下形成纖維的,比如加熱使其變性或者與其它聚合物共混。此外,通過改變溫度或者溶液的pH也可提高其遞送生物活性物質(zhì)的能力。相關(guān)研究表明,乳清蛋白在酸性條件下其電紡溶液更容易形成[51]。室溫下,用水作為溶劑制備明膠電紡溶液一直是存在問題的,因?yàn)樵谑覝叵旅髂z表現(xiàn)為無規(guī)則卷曲狀聚合物,而明膠在高溫條件下即可獲得靜電紡纖維[52]。

為了改善蛋白質(zhì)的可紡性,通常會(huì)將其與某些天然或合成聚合物混合后進(jìn)行靜電紡絲。目前使用較多的聚合物有聚乙烯醇、聚環(huán)氧乙烷、聚乙烯吡咯烷酮以及聚乳酸共聚物等,天然聚合物包括殼聚糖和透明質(zhì)酸等[30-31]。研究發(fā)現(xiàn),大多數(shù)關(guān)于蛋白質(zhì)的靜電紡絲幾乎都用到了與聚合物共混的方法。Suganya等[53]用膠原蛋白與聚己內(nèi)酯共混后制備納米纖維進(jìn)行皮膚組織再生工程,并通過添加蘆薈提取物的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)皮膚修復(fù)的增強(qiáng)。絲素蛋白(Silk Fibroin,SF)與聚己內(nèi)酯(Polycaprolactone,PCL)通過乳液靜電紡絲成功制備出“核-殼”結(jié)構(gòu)的納米纖維,聚己內(nèi)酯的添加使得整個(gè)纖維結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度大幅提高,SF/PCL在組織工程應(yīng)用中表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢[31]。天然生物聚合物也可以與蛋白質(zhì)混合制備納米纖維。Wongsasulak等[54]將蛋清蛋白(Egg Albumen,EA)與CA混合靜電紡絲制備納米纖維,蛋清蛋白是一種由于其具有較高的表面張力和導(dǎo)電性而不易被紡絲的生物聚合物,向其中添加一定量的CA和吐溫-40后可以降低表面張力并有效促進(jìn)EA/CA納米纖維的形成。因此,將蛋白質(zhì)與聚合物共混后制備的納米纖維其性能具有明顯增強(qiáng)的趨勢。

蛋白質(zhì)由于其具有兩親結(jié)構(gòu)、多個(gè)結(jié)合位點(diǎn)以及各種作用機(jī)制(包括靜電吸引力、疏水相互作用、氫鍵和共價(jià)鍵)而表現(xiàn)出對(duì)生物活性物質(zhì)的高負(fù)載能力。因此,以蛋白質(zhì)為基質(zhì)的納米纖維由于其具有生物降解性、生物相容性、體內(nèi)安全性以及良好的功能特征等優(yōu)勢,更適合于營養(yǎng)物質(zhì)遞送系統(tǒng)。目前用于制備納米纖維的蛋白質(zhì)主要包括:玉米醇溶蛋白、大豆分離蛋白、乳清濃縮蛋白、乳清分離蛋白、莧菜分離蛋白以及其他蛋白質(zhì)。

2.2.1 玉米醇溶蛋白 玉米醇溶蛋白(Zein),舊稱米朊,是一種廣泛存在于玉米中的食物蛋白質(zhì),其占胚乳蛋白總量的一半,對(duì)玉米蛋白營養(yǎng)特征起決定性作用。因其具有高耐熱性等優(yōu)點(diǎn)而被應(yīng)用于生物活性物質(zhì)的遞送。利用靜電紡絲技術(shù)可以將多種活性物質(zhì)包埋于玉米醇溶蛋白內(nèi),如姜黃素、魚油、單寧、β-胡蘿卜素等。Fernandez等[55]將對(duì)光敏感的生物活性抗氧化劑β-胡蘿卜素包埋于玉米醇溶蛋白中利用靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維,研究結(jié)果表明,β-胡蘿卜素在玉米醇溶蛋白納米纖維內(nèi)部穩(wěn)定分散,與未包埋組相比,其光穩(wěn)定性顯著提高。Yang等[22]以玉米醇溶蛋白和聚乙烯吡咯烷酮混合物為壁材,以魚油作為“核芯”,利用同軸靜電紡絲技術(shù)成功制備出具有“核-殼”結(jié)構(gòu)的納米纖維,透射電子顯微鏡分析表明,所得同軸納米纖維的平均直徑為560 nm,并可觀察到清晰的“核-殼”結(jié)構(gòu),與單軸靜電紡絲制備的納米纖維相比,同軸電紡納米纖維中的魚油穩(wěn)定性顯著增強(qiáng),并獲得了較高的包埋率,研究結(jié)果表明,同軸電紡得到的納米纖維中的魚油的保質(zhì)期比單軸靜電紡絲得到的納米纖維長達(dá)65 d,因此,同軸靜電紡絲制備的納米纖維具有更強(qiáng)的保護(hù)作用,在控制釋放過程中也表現(xiàn)出良好的性能。

2.2.2 大豆分離蛋白 大豆分離蛋白(Soy Protein Isolate,SPI)由于其低廉的成本被廣泛應(yīng)用于納米纖維的制備。而純大豆分離蛋白在靜電紡絲過程中不易形成纖維,通常需要與聚合物共混后來增強(qiáng)其分子之間的纏結(jié)。電紡SPI/聚環(huán)氧乙烷納米纖維在食品領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。例如,Vega-Lugo等[56]利用靜電紡絲技術(shù)成功制備包埋有天然抗菌劑的SPI/聚環(huán)氧乙烷納米纖維,研究結(jié)果表明,隨著超聲處理時(shí)間的延長溶液粘度降低,超聲混合1 min效果最佳,通過調(diào)整溶液的組成可以改善SPI/聚環(huán)氧乙烷納米纖維,這種納米抗菌纖維在食品包裝領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2.3 乳清濃縮蛋白 乳清濃縮蛋白(Whey Protein Concentrate,WPC)是一種生產(chǎn)干酪副產(chǎn)品的水溶性蛋白質(zhì),具有明顯的膠凝、增稠等作用。由于乳清濃縮蛋白是一種兩性大分子,因此在食品工業(yè)中起著至關(guān)重要的作用。López-Rubio等[57]證明了用乳清濃縮蛋白和普魯蘭多糖包埋雙歧桿菌是可行的,研究結(jié)果表明乳清濃縮蛋白作為保護(hù)益生菌壁材要優(yōu)于普魯蘭多糖。另外,有研究證明葡聚糖、乳清濃縮蛋白和殼聚糖可以通過乳液靜電紡絲用于番茄紅素的遞送壁材,所得纖維可以減少番茄紅素發(fā)生熱降解,使得番茄紅素的穩(wěn)定性得到提高,有利于其發(fā)揮積極作用[30]。

2.2.4 乳清分離蛋白 乳清分離蛋白(Whey Protein Isolation,WPI)是一種從牛奶中提取的蛋白質(zhì),其不僅具有易于消化吸收的優(yōu)點(diǎn)而且營養(yǎng)價(jià)值也較高,在食品工業(yè)中具有重要的作用。Zhang等[58]將殼聚糖與乳清分離蛋白混合后制備遞送有兒茶素的納米顆粒并對(duì)其控制釋放過程做進(jìn)一步研究,研究結(jié)果表明,兒茶素的體外釋放過程取決于包埋率和基質(zhì)與生物活性物質(zhì)之間的相互作用。殼聚糖-乳清分離蛋白納米顆粒在營養(yǎng)物質(zhì)的遞送中具有廣闊的應(yīng)用前景。Sullivan等[59]將乳清分離蛋白及其主要成分β-乳球蛋白與聚環(huán)氧乙烷通過靜電紡絲制備納米纖維,研究結(jié)果表明,乳清分離蛋白可紡比例高達(dá)WPI∶聚環(huán)氧乙烷=3∶1,納米纖維直徑范圍取決于聚合物溶液組成和濃度,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)溶液2≤pH≤3時(shí)可以成功制備納米纖維,另外,研究發(fā)現(xiàn)添加聚環(huán)氧乙烷可以減少“串珠”纖維的形成,之所以出現(xiàn)“串珠”可能是由于蛋白質(zhì)聚集造成的。

2.2.5 莧菜分離蛋白 莧菜分離蛋白(Amaranth Protein Isolate,API)可以作為生物活性物質(zhì)的遞送基質(zhì)用于開發(fā)功能性食品。Adriana等[60]以莧菜分離蛋白和普魯蘭多糖的混合物作為壁材利用靜電紡絲技術(shù)對(duì)姜黃素進(jìn)行包埋,并對(duì)電紡后的納米纖維的物理化學(xué)性能進(jìn)行表征,同時(shí)評(píng)估了姜黃素在體外消化條件下的抗氧化能力,研究結(jié)果表明,與未被包埋的姜黃素相比,納米纖維中的姜黃素表現(xiàn)出更高的抗氧化活性,姜黃素被包埋于纖維內(nèi)部后,整個(gè)結(jié)構(gòu)依然具有熱穩(wěn)定性。此外,纖維壁材組成不同會(huì)出現(xiàn)不同的釋放結(jié)果,隨著API添加量的增加姜黃素的釋放速率會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢,因此合理控制API的比例對(duì)于釋放過程非常重要。Marysol等[61]基于靜電紡絲技術(shù)用莧菜分離蛋白對(duì)槲皮素和阿魏酸進(jìn)行包埋,通過表征電紡納米纖維的性能,評(píng)估兩種生物活性物質(zhì)在納米纖維內(nèi)的分布和包埋率以及研究了體外消化過程中生物活性物質(zhì)的控制釋放,最終確定最佳組分構(gòu)成和最佳裝載量,研究結(jié)果表明與游離活性物質(zhì)相比,被包埋于納米纖維內(nèi)的生物活性物質(zhì)的活性明顯提高。

2.2.6 其他蛋白質(zhì) 許多天然蛋白質(zhì)(如酪蛋白)不能單獨(dú)制備成納米纖維,通常需要添加一種聚合物來改善蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)從而將其順利電紡制備納米纖維。Xie等[62]利用靜電紡絲技術(shù)將酪蛋白與聚環(huán)氧乙烷/聚乙烯醇混合后制備納米纖維膜,纖維直徑在100～500 nm之間,研究發(fā)現(xiàn)被包埋于納米纖維膜中的脂肪酶表現(xiàn)出較高的水解橄欖油的催化活性,因此添加了聚環(huán)氧乙烷/聚乙烯醇的酪蛋白納米纖維是酶的良好遞送體系。Wang等[63]研究了大麥醇溶蛋白和麥膠蛋白在乙酸溶液中的可紡性,并與玉米醇溶蛋白納米纖維進(jìn)行比較,研究結(jié)果表明,蛋白質(zhì)構(gòu)象的變化對(duì)蛋白質(zhì)的可紡性和納米纖維的機(jī)械性能有顯著的影響,此外,與麥膠蛋白和玉米醇溶蛋白纖維相比,大麥醇溶蛋白納米纖維表現(xiàn)出更低的細(xì)胞毒性和良好的生物相容性。經(jīng)過濃度優(yōu)化后,大麥醇溶蛋白和麥膠蛋白經(jīng)過電紡制備的納米纖維形態(tài)與玉米醇溶蛋白納米纖維形態(tài)基本相似。蛋白質(zhì)構(gòu)象和蛋白質(zhì)聚集對(duì)納米纖維特性的影響具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先,在乙酸溶液中,大麥醇溶蛋白分子逐漸展開并進(jìn)行重組形成延展的柔性構(gòu)象,通過分子間氫鍵作用結(jié)合在一起,但是這種構(gòu)象的轉(zhuǎn)變可能會(huì)中斷大麥醇溶蛋白中固有強(qiáng)分子間的相互作用,導(dǎo)致纖維機(jī)械強(qiáng)度下降。其次,麥膠蛋白和玉米醇溶蛋白在乙酸溶液中結(jié)構(gòu)緊湊,主要的二級(jí)結(jié)構(gòu)依然完整存在,靜電紡絲過程中,蛋白質(zhì)分子被壓縮以便于獲得具有更高的機(jī)械性能的連續(xù)性納米纖維,由于麥膠蛋白谷氨酸含量相對(duì)較高,與玉米醇溶蛋白相比具有更強(qiáng)的分子間作用力,從而形成的纖維結(jié)構(gòu)也更加穩(wěn)定。另外,疏水作用力的存在會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)聚集,醇溶蛋白分子間的相互作用受到抑制,阻斷了連續(xù)電紡纖維的形成。

3 展望

靜電紡絲是一種新興的生物活性物質(zhì)包埋技術(shù),與其它包埋方式相比,靜電紡絲不涉及任何苛刻的條件,在包埋遞送領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。利用該技術(shù)制得的納米纖維直徑一般在數(shù)十納米到數(shù)百納米之間,且具有連續(xù)性結(jié)構(gòu)、高比表面積、適宜孔隙率以及可調(diào)纖維直徑和形態(tài)等諸多優(yōu)點(diǎn)?；谶@些優(yōu)點(diǎn),靜電紡絲納米纖維表現(xiàn)出較高的包埋率、較強(qiáng)的對(duì)生物活性物質(zhì)的保護(hù)能力以及有針對(duì)性的控制釋放能力。目前對(duì)于靜電紡絲技術(shù)的研究及應(yīng)用主要集中在醫(yī)療衛(wèi)生、材料化學(xué)、催化敏化等相關(guān)領(lǐng)域,而在食品科學(xué)領(lǐng)域尚處于研究初始階段,如何制備直徑均勻、表面光滑以及具有高附加值高功能特性的納米纖維是目前研究焦點(diǎn),同時(shí)仍然需要從生物聚合物(蛋白質(zhì)和多糖)出發(fā),考慮對(duì)不同類型生物活性物質(zhì)(疏水性和親水性小分子、酶、活性蛋白、益生菌等)的包埋并有目的性地應(yīng)用到食品中,使功能性食品的開發(fā)和生物活性包裝材料的生產(chǎn)成為可能。此外,針對(duì)靜電紡絲產(chǎn)率低的問題可以在其裝置上做適當(dāng)改善,比如增加注射器的數(shù)量等;為確保得到的纖維形態(tài)是應(yīng)用所需,要全面考慮壁材和電紡溶液的性質(zhì),從修飾聚合物的結(jié)構(gòu)角度解決此類問題。包埋有生物活性物質(zhì)的電紡納米纖維在食品科學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,未來在充分考慮食品安全性的基礎(chǔ)上可以將納米纖維和微膠囊共紡,實(shí)現(xiàn)一張纖維墊上包埋有兩種生物活性物質(zhì)的可能,以便于更好地應(yīng)用到食品中發(fā)揮兩種生物活性物質(zhì)的協(xié)同作用。另外,要加強(qiáng)體內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的研究,基于生物聚合物和活性物質(zhì)的作用,利用pH、酶、光等條件實(shí)現(xiàn)生物活性物質(zhì)的控制釋放(順利經(jīng)過胃部,在腸道中釋放)。